环境周报 | 微生物重要期刊最新研究进展（20210906）

Nature Reviews Microbiology

综述| Nature Reviews Microbiology: 微生物群落组装中的优先效应

本文由Moon编译

摘要：新一代测序技术（next-generation sequencing）的进步使得确定不同系统和不同组装过程中微生物组的组成成为可能。虽然目前在群落组成的决定性因素（deterministic drivers）研究方面取得了巨大进展，但对其中历史偶然性（historical contingency）发挥的作用仍然知之甚少。一个群落中新物种的建立可能取决于它们到达该群落的顺序和/或时间，这种现象被称为优先效应（priority effect）。本文综述了优先效应的机制及其在哺乳动物肠道、植物叶际和根际、土壤、淡水和海洋等环境中微生物群落中的重要性。除此之外，我们描述了在复杂微生物群落中直接测定和预测优先效应的方法，并通过对公共植物和动物微生物组数据集的重新分析来对这些方法进行举例说明。另外，我们讨论了在研究过程中的一些共同原则，主要是生态进化动力学（eco-evolutionary dynamics）以及研究尺度的重要性等方面。其中，预测当前的群落状态在什么时候、以什么方式影响新到达微生物类群的成功建立，是协调微生物群落维持生态功能和宿主健康的关键。最后，我们还讨论了在测量微生物群落的优先效应时需要面对的一些重要概念和实际挑战。

论文ID

原名：Priority effects in microbiome assembly

译名：微生物群落组装中的优先效应

期刊：Nature Reviews Microbiology

IF：60.633

发表时间：2021年8月27日 

通讯作者：Reena Debray, Robin A. Herbert

通讯作者单位：加利福尼亚大学伯克利分校整合生物学系、加利福尼亚大学伯克利分校植物与微生物学系

DOI号：10.1038/s41579-021-00604-w

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41579-021-00604-w

对功能有不同影响的优先效应举例示意图（原文中图2）

Water Research

综述| Water Research：多组学在水工程微生物生态中的应用前景

本文由HushKuo编译

摘要：近三十年来，高通量测序技术和生物信息学方法的进步极大地提高了我们探索微生物（包括尚未完全分离培养的微生物）及其功能的能力。用于基因组解析的宏基因组手段构建了强大的功能预测与特定分类群之间的高保真度联系。此外，全群落基因表达调查和代谢谱分析的相关发展实现了特定环境设置中群落规模功能的直接研究。这些进步使微生物组科学从描述性研究转向以设计和利用微生物群落以实现预期有益结果的机制和预测体系。研究活性污泥、厌氧消化和饮用水分配系统的水工程师、微生物学家及微生物生态学家通过多种（宏）组学技术构建了微生物群落动力学及生理学与整体过程参数及系统性能之间的联系。然而，基于组学新方法的快速发展节奏可能使希望首次尝试先进实践的应用意向者望而生畏。在此，我们回顾了现代基因组解析的宏基因组手段在实验室规模生物反应器到全规模系统各种水工程中的应用发展进程，描述了跨工程水系统的集成组学分析以及将上述见解与建模方法相结合的基础。最后，对基于组学的新兴技术进行了总结，我们认为这些技术将成为水工程应用的强大工具。总而言之，本文为专门从事水工程的微生物生态学家提供了将尖端组学方法应用于研究问题的研究框架，以更好地从功能视角拓宽新认识。随着水和能源资源的需求增加，预测体系在工程水系统中的成功实践有望指导生物工艺面向经济化和环境可持续化转型。 

关键词：微生物生态；宏基因组学；宏转录组学；宏蛋白组学；宏代谢组学；代谢建模；水工程

论文ID

原名：Prospects for Multi-omics in the Microbial Ecology of Water Engineering

译名：多组学在水工程微生物生态中的应用前景

期刊：Water Research

IF：11.236

发表时间：2021年8月27日

通讯作者：Elizabeth A. McDaniel、Rohan B.H. Williams

通讯作者单位：美国威斯康辛大学麦迪逊分校细菌系、新加坡国立大学新加坡环境生命科学工程中心

DOI号：10.1016/j.watres.2021.117608

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135421008034

ISME Journal

国人作品| ISME J：中科院朱永官院士团队揭示土壤塑料际作为抗生素抗性基因和潜在致病菌的“热区”

本文由清韵编译

摘要：日益普遍的塑料污染正在创造一个新的环境隔间，即塑料际“plastisphere”。塑料际如何影响微生物群落和抗生素抗性基因（ARGs）是一个全球关注的问题。尽管这已经在水生生态系统中进行了研究，但我们对土壤生态系统中的塑料际微生物组的了解仍然有限。本文研究了来自不同土壤环境的四种微塑料（MPs）的塑料际微生物群和ARGs，并揭示了粪肥、温度和湿度对它们的影响。研究结果发现，MPs对土壤塑料际微生物群落具有选择性，这些塑料际微生物群落参与了多种代谢途径，表明微塑料可以驱动土壤生态系统的多种生态过程。塑料际细菌零半径操作分类单元（zOTU）内的关系以正相关为主，中性过程似乎主导了群落组装。然而，确定性过程在解释塑料际中ARGs的差异方面更为重要。与土壤相比，一系列潜在的病原菌和ARGs在塑料际中富集，但它们随着MPs和土壤类型的不同而存在差异。本研究进一步发现，粪肥的添加和土壤温度和湿度的升高都增强了塑料际中的ARGs丰度，并且潜在的病原菌随土壤湿度的增加而增加。这些结果表明，在全球变化下，塑料际是潜在病原菌与ARGs丰度增加在空间上共存的栖息地。研究结果为土壤塑料际的微生物和抗生素抗性的群落生态学提供了新的见解。

论文ID

原名：Soil plastispheres as hotpots of antibiotic resistance genes and potential pathogens

译名：土壤塑料际作为抗生素抗性基因和潜在致病菌的“热区”

期刊：ISME Journal

IF：10.302

发表时间：2021.08.28

通讯作者：朱永官

通讯作者单位：中国科学院生态环境研究中心；中国科学院城市环境研究所

DOI号：10.1038/s41396-021-01103-9

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41396-021-01103-9

Geoderma

科研| Geoderma：优化覆盖作物和施肥时机以提高玉米产量和氮循环控制

本文由鼻涕编译 

摘要：覆盖禾草的残留可向后续作物释放氮（N），有助于可持续农业管理，防止氮损失相关微生物的增加。此外，在作物覆盖层施用氮肥，可提高后续经济作物的氮利用效率和产量，加强土壤氮循环。然而，覆盖作物施氮对热带草-作物免耕系统土壤微生物区系和氮循环的长期影响尚不清楚。本研究旨在探讨覆盖作物或玉米施氮时机对玉米收获时作物产量、微生物丰度和氮循环基因丰度的长期影响。我们对两种覆盖作物【栅栏草（Urochloa brizantha）和乳汁草（U. ruziziensis）】进行了三次施肥试验，每次施肥120 kg N ha^-1（硫酸铵）：（i）在玉米播种前35天覆盖青苔作物（35 DBS），（ii）在玉米播种前1天覆盖作物秸秆残茬（1 DBS），（iii）作为玉米V4生长期的副料，按常规方法进行（在距玉米行0.05 m处施用）。同时，我们对两种覆盖作物也进行了不施氮的对照处理。除对照外，所有处理在玉米播种时距玉米行0.05 - 0.10 m处施40 kg N ha^-1硫酸铵，相当于160 kg N ha^-1。利用实时荧光定量PCR技术测定玉米收获期土壤氮循环中细菌、古菌和真菌的总丰度以及微生物基因编码酶的丰度。总体而言，三个生长季，各施氮量（平均13 Mg ha ^-1 ）均显著高于对照 (6 Mg ha ^-1)，以围栏草后的玉米产量最高。35 DBS处理下栅栏草土壤中古菌和真菌的丰度最高，分别为4.6×10⁶和1.7×10⁷个基因拷贝/g。覆盖作物秸秆产量和氮释放量均与土壤微生物密度呈正相关。当菱形草为覆盖作物时，低氮增加了nifH 的丰度。无论施氮处理如何，古生菌数量与覆盖作物生物量和氮释放量均呈显著正相关，以栅栏草为最高。细菌amoA、nirK和nirS丰度在菱形草土壤中最高，与覆盖作物生物量矿化无关。综上所述，为了获得较高的玉米产量，应采用目前推荐的施肥方法（分别为40和120 kg N ha^-1），同时通过硝化和反硝化控制热带土壤的氮损失水平。

关键词：臂形草属菌株；作物残茬；氮循环；实时荧光定量PCR；食品生产；可持续农业；土壤微生物

论文ID

原名：Optimizing cover crop and fertilizer timing for high maize yield and nitrogen cycle control

译名：优化覆盖作物和施肥时机以提高玉米产量和氮循环控制

期刊：Geoderma

IF：6.114

发表时间：2021.09.01

通讯作者：Carlos Alexandre Costa Crusciol; Eiko Eurya Kuramae

通讯作者单位：巴西圣保罗州立大学农业科学学院作物科学系；荷兰生态研究所微生物生态学系

DOI号：10.1016/j.geoderma.2021.115423

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016706121005036

科研| Geoderma：干旱对地中海森林土壤在不同土壤水分和碳输入下的土壤呼吸和微生物群落的影响

本文由流浪过的梦编译

摘要：土壤水分在微生物分解过程中会强烈影响土壤有机碳 (C) 的归宿，但影响的表征和预测仍然具有挑战性，尤其是干旱历史的长期影响及其与当前土壤水分水平的相互作用。我们研究了干旱对土壤活性和微生物群落组成的遗留效应，以及它与实际土壤水分和碳添加的相互作用。在添加¹³C标记的葡萄糖或纤维素后，将来自森林中长期干旱田间试验的土壤在两种土壤水分水平下培养80天。干旱遗留表现为长期干旱样地的湿土壤中的土壤CO₂射流显著高于所有其他处理（包括历史对照样地）的土壤，以及干旱处理中有更高的呼吸作用，但在添加纤维素时在湿土壤中没有。在整个孵化过程中，葡萄糖的供应引发了土壤有机质（SOM）的分解，而纤维素的供应在非常早期引起了负启动效应（PE），但总体上具有正启动效应。细菌群落的组成随土壤湿度而变化，但真菌群落对水分胁迫的抵抗力更强，在低水分水平下更有效地获得不稳定C。真菌主导纤维素分解，细菌主导葡萄糖分解。这些结果表明真菌在经常缺水的地中海生态系统SOM分解中的关键作用。

关键词：土壤湿度、干旱遗留、土壤呼吸、启动效应、微生物群落

结论：通过这项研究，历史干旱的遗留在未提供的湿处理中通过孵化表现出更高的呼吸作用，在干处理中没有；并且当添加纤维素时，遗留在干处理中呼吸作用也比在干处理中更高。尽管向干处理供应纤维素时真菌磷脂脂肪酸有增加的趋势，但微生物群落的组成并没有清楚地表现出遗留。容易获得的葡萄糖类似于植物分泌物促使SOM分解数月，而纤维素更类似于凋落物输入导致早期的负启动效应和较弱的正启动效应。我们的研究结果可预测土壤碳库对干旱的响应取决于土壤的碳输入。输入简单底物（例如具有真正引发效应的根系分泌物）会导致土壤中大量碳流失。更复杂的底物（例如凋落物）的输入可以维持C储存，尽管干旱变得更加频繁（诸如在干处理中增加纤维素消耗的遗留效应）等现象可以减少由呼吸减少导致的C损失，从而减少土壤湿度。但我们的研究表明，未来的长期干旱可能会对增加土壤呼吸产生巨大而持久的影响在土壤潮湿期间，其影响可能因土壤中碳输入的类型而异。

总结：

1) 有干旱历史的潮湿土壤的土壤呼吸较高。

2) 在整个孵化过程中，葡萄糖的供应引发了SOM的分解。

3) 提供的纤维素在早期引起负启动效应，但总体上产生正启动效应。

4) 在低湿度水平下，真菌群落更具抵抗力，更有效地获得不稳定有机碳。

5) 真菌主导纤维素分解，细菌主导葡萄糖分解。 

论文ID

原名：Drought legacies on soil respiration and microbial community in a Mediterranean forest soil under different soil moisture and carbon inputs

译名：干旱对地中海森林土壤在不同土壤水分和碳输入下的土壤呼吸和微生物群落的影响 

期刊：Geoderma

IF：6.114

发表时间：2021年8月23日

通讯作者：Lei Liu

通讯作者单位：南京信息科技大学江苏农业气象重点实验室生态研究所

DOI号：10.1016/j.geoderma.2021.115425

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S001670612100505X

FEMS Microbiology Ecology 

科研| FEMS Microbiology Ecology: 格陵兰岛永久冻土的微生物特征以及冷适应预测蛋白（CAPP）数据库构建

本文由Moon编译 

摘要：永久冻土 (Permafrost) 是通过生物手段发现低温适应蛋白质（cold-adapted proteins）的重要领域，在工业和医疗行业中具有优势。比较适应不同温度的蛋白质可为冷适应生物工程（cold-adaptation bioengineering）提供重要信息。我们从格陵兰岛（Greenland）西南部一个冰前样带（proglacial transect）的34个采样点中收集了永久冻土活动层样本，并利用nanopore和Illumina测序方法获得了高覆盖率的组装序列（大于164x），用于（1）分析该地区微生物群落的宏基因组（metagenomic）和宏转录组（metatranscriptomic）趋势；（2）构建一个冷适应预测蛋白（CAPP, Cold-Adapted Predicted Protein）数据库。此次样品中，群落的分类组成相似，为固态永久冻土型群落，而非典型的冰前系统微生物趋势。我们一共复原了69个高或中等质量的宏基因组组装簇 (metagenome-assembled clusters)，213个完整的生物合成基因簇 (biosynthetic gene clusters) 和300多万个预测蛋白,并用后者构建了CAPP数据库，可为今后冷适应酶生物工程中以蛋白质和分类单元为主的氨基酸序列修饰提供冷适应蛋白序列信息。我们以多酚氧化酶（polyphenol oxidase）为例，演示了序列变异信息是如何影响其蛋白质工程的。

关键词：冷适应蛋白，土壤宏基因组学，土壤宏转录组学，永久冻土，格陵兰冰盖，生物工程 

论文ID

原名：Microbial characterisation and Cold-Adapted Predicted Protein (CAPP) database construction from the active layer of Greenland's permafrost

译名：格陵兰岛永久冻土的微生物特征以及冷适应预测蛋白（CAPP）数据库构建

期刊：FEMS Microbiology Ecology

IF：4.194

发表时间：2021年9月1日

通讯作者：Gilda Varliero

通讯作者单位：英国布里斯托大学生命科学学院

DOI号：10.1093/femsec/fiab127

原文链接：

https://academic.oup.com/femsec/advance-article/doi/10.1093/femsec/fiab127/6360974